(57)【要約】      （修正有）【課題】円筒物を外面から焼入れる場合に、１回の焼入れにより長さ位置により焼入れ深さが異なるものとする方法を提供する。【解決手段】円筒物１の周囲に誘導加熱コイル２と水噴射装置３とを設けて移動焼入れを行なう円筒物の外面焼入方法において、金属棒５を円筒物１の少なくとも一端から挿入し、前記金属棒５は挿入した状態において先端位置が円筒物の全長の２分の１以下であり、かつ円筒物の少なくとも一部の長さ区間において円筒物の内面に接触させる。またさらに誘導加熱コイル２と水噴射装置３との移動速度および加熱電力の一方または両方を円筒物の長さ位置によって変えることにより、円筒物の単位長さ当たりの加熱熱量を変化させてもよい。【選択図】図１
2006283087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒物の周囲に誘導加熱コイルと水噴射装置とを設けて移動焼入れを行なう円筒物の外面焼入方法において、金属棒を円筒物の少なくとも一端から挿入し、前記金属棒は挿入した状態において先端位置が円筒物の全長の２分の１以下であり、かつ円筒物の少なくとも一部の長さ区間において円筒物の内面に接触していることを特徴とする円筒物の外面焼入方法。
【請求項２】
金属棒は円筒物に挿入したとき円筒物内部に位置する部分に隣接してフランジ部を有し、前記フランジ部は金属棒の軸方向に対し直角方向の寸法が少なくとも一方向において円筒物の端部内径より大きく、かつ円筒物の端部から円筒物の端部内径と同じ長さまでの金属棒の体積以上の体積を有することを特徴とする請求項１記載の円筒物の外面焼入方法。
【請求項３】
円筒物の内径が円筒物の長さ位置によって異なることを特徴とする請求項１または２記載の円筒物の外面焼入方法。
【請求項４】
誘導加熱コイルと水噴射装置との移動速度および加熱電力の一方または両方を円筒物の長さ位置によって変えることにより、円筒物の単位長さ当たりの加熱熱量を変化させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の円筒物の外面焼入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は両端が開放された細長い円筒物の外面を焼入れするさい、端部近傍の焼入れ深さを他の部分より浅くする方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械装置の回転軸などの部品として一般的には丸棒が使用されているが、これを中空なものとすることもある。特に軽量化に対する要請が大きい自動車などでは径がある程度大きい回転軸は中空にすることが多い。本発明が焼入れの対象とする円筒物として代表的なものはこのような機械装置の回転軸であるが、これに限定するものではない。このような機械装置の回転軸などの場合、機械加工を施したのち所定の強度を得るために通常は焼入れされる。
【０００３】
このような焼入れは中実な丸棒と同様に、円筒物においても外面から加熱してなされる。この場合比較的小さいものであると全体を同時に加熱して冷却液中に投入して焼入れる、いわゆるズブ焼入れを行なうこともあるが、移動焼入れを行なうことが多い。これは加熱コイルとこれに連動する水噴射装置とをワークである円筒物に貫通させて順次移動することにより、加熱、冷却を行なうものである。この場合ワークは垂直姿勢で行なうことが多く、加熱中の場所に水が掛からないようにするため下端から上方に向かって加熱コイルと水噴射装置を移動して行なわれる。またワークが長尺の場合などにおいてはワークを水平姿勢として移動焼入れを行なうこともある。
【０００４】
ところで円筒物を外部から誘導加熱した場合渦電流が最も大きい外表面が熱の発生が最大であるが、コイル電流の周波数や材料の透磁率などで定まる浸透深さに応じてある程度内部まで熱が発生する。さらには材料自体の熱伝導によっても温度分布の均等化がなされるので、コイル電流の周波数が特に高くない場合には円筒物の内面まで温度が上昇する。その結果、組織の少なくとも一部がオーステナイト化する温度まで達することになり、特に円筒物の肉厚が薄い場合には外面とあまり変わらない程度まで内面も温度上昇する。この状態で水噴射装置により外面から冷却すると焼入れされるが、硬度は冷却速度が大きい外面が最大になり材料成分やオーステナイト粒度などに依存する焼入性に応じて内部に行くに従って硬度が順次低下する。
【０００５】
上記のように円筒物を移動焼入れした場合におけるワーク内部ないし内面の焼入硬化の度合いについては種々の条件が交錯しており、これを制御するのは難しい。内面側を硬化させたくない場合コイル電流の周波数を特に高くすれば良いが、それも円筒物の肉厚が比較的薄いと困難になる。そこで内面側を硬化させたくない場合の対策として、特開２００１−３０３１２５においては円筒物を外部から誘導加熱しつつ移動焼入するさい、内部を水冷して行なう装置が示されている。これによると冷却液導入孔が設けられた冷却ノズルを円筒部材の一端に、冷却液排出孔が設けられた冷却ノズルとを円筒部材の他端に水密に当てがい、円筒部材内部に水を導入して外部を誘導加熱しつつ焼入れしている。これにより薄肉円筒の場合でも外面に均一な薄い焼入層を形成することができるとしている。
【特許文献１】特開２００１−３０３１２５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動車の回転軸などを中空にした場合、両端部の内面については機械加工などのため外面と同じような硬さまで焼入れしないという場合がある。これに対応するため前記の特開２００１−３０３１２５の装置を使用して円筒物の内部に水を導入すれば焼入れ深さを浅くすることは可能であるので、長さの一部分だけこの装置を使用して焼入を行い、他の部分は別途この装置を使用しないで焼入れをすれば実現可能ではあるが作業の手間が煩雑になる。そこで本発明は円筒物を外面から焼入れる場合に、１回の焼入れにより長さ位置により焼入れ深さが異なるものとする方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は前記課題を解決するものであって、円筒物の周囲に誘導加熱コイルと水噴射装置とを設けて移動焼入れを行なう円筒物の外面焼入方法において、金属棒を円筒物の少なくとも一端から挿入し、前記金属棒は挿入した状態において先端位置が円筒物の全長の２分の１以下であり、かつ円筒物の少なくとも一部の長さ区間において円筒物の内面に接触していることを特徴とする円筒物の外面焼入方法である。ここにおいて、金属棒は円筒物に挿入したとき円筒物内部に位置する部分に隣接してフランジ部を有し、前記フランジ部は金属棒の軸方向に対し直角方向の寸法が少なくとも一方向において円筒物の端部内径より大きく、かつ円筒物の端部から円筒物の端部内径と同じ長さまでの金属棒の体積以上の体積を有すること、円筒物の内径が円筒物の長さ位置によって異なることも特徴とする。またさらに、誘導加熱コイルと水噴射装置との移動速度および加熱電力の一方または両方を円筒物の長さ位置によって変えることにより、円筒物の単位長さ当たりの加熱熱量を変化させることも特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、金属棒を円筒物の少なくとも一端から内部に挿入して移動焼入れするので、１回の焼入れにより金属棒が挿入された部分と挿入されていない部分の焼入れ深さを相違させることがことができる。また誘導加熱コイルと水噴射装置との移動速度や加熱電力を調節して円筒物の単位長さ当たりの加熱熱量を変化させることにより、焼入れ硬化層の外面からの深さを目標値に制御することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明の円筒物の外面焼入れ方法を示す断面図である。この例ではワークである円筒物１は外径が一様ではなく中央部が太くなっており、これに伴って厚みも中央部が両端部より薄くなっている。このようなものは自動車の回転軸などでしばしば見られるものである。この例では外面の移動焼入れに当たって垂直に保持し回転しながら（保持装置等は図示せず）、誘導加熱コイル２と水冷ジャケット３とをワークの下端から上方へと連動して移動するようになっている。水冷ジャケットにはワークに面した内周面に複数の水噴射口が設けられている。
【００１０】
ここにおいて本発明は円筒物の端部、たとえば図１では両端から金属棒４を挿入して誘導加熱を行なうものである。この場合、金属棒は円筒物であるワークの内面に接触することにより温度が上昇した外面からの熱を吸収する。これによりワークの金属棒が挿入された部分の内面は温度上昇が抑制されることになる。円筒物の内面と金属棒との接触は隙間が無いことが好ましいが、挿入や抜取りに特に力を要するようなはめ合い状態でなく、人力で楽に挿入、抜取りができるはめ合い状態でも充分な冷却効果が得られる。金属棒の材質としては真鍮や鋼などが使用でき、ステンレス鋼は繰り返し使用したときの耐久性の点で好ましい。さらにＪＩＳ  ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼は熱膨張率が一般のフェライト系の鋼材よりも大きいので、円筒物に出し入れするときには容易に動かすことができる状態でも、温度が上昇したときには円筒物の内面に密着して熱を吸収するので特に好ましい。
【００１１】
また金属棒４は円筒物１に挿入したとき円筒物内部に位置する部分に隣接してフランジ部５を有するのが好ましい。すなわち金属棒は円筒物へ挿入した状態においても端部の一部が円筒物の外部に残っていないと、円筒物から抜き取るのが困難になる。このためには金属棒は円筒物の端部内径と同じ径のまま外部に延長した形状でもよいが、図１にも示したように円筒物１の端部内径より太径のフランジ部５を設けるのが好ましい。このようにすれば金属棒の円筒物への挿入位置を容易に一定にできるが、このためにはフランジ部の形状は円形断面に限らず、金属棒の軸に対し直角方向の寸法が少なくとも一方向において円筒物の端部内径より大きければ良い。またフランジ部は金属棒の円筒物に入った部分から熱を吸収し、放熱することにより冷却を促進する効果もある。この効果を発揮させるためには図１に示すように、円筒物の端部から円筒物の端部内径Ｄと同じ長さＤまでの金属棒の体積以上の体積をフランジ部が有することが好ましい。
【００１２】
本発明は円筒物の全長のうちの一部分において内部に金属棒を入れるものである。ワークが自動車などの軸の場合、内面の焼入れの度合いを調節する必要があるのは両端部近傍であるのが普通であり、この場合には両端部から金属棒を挿入して移動焼入れを行なえばよい。また内面の焼入れの度合いを調節する必要があるのが円筒物の一端のみの近傍であるときには、金属棒は一端側のみに入れればよい。しかし両端から挿入する場合、一端から挿入する場合いずれにしても金属棒の長さは円筒物に挿入したときの先端位置が円筒物の全長の２分の１以下にする。円筒物の端からの距離が大きくなると金属棒による冷却効果は小さくなるので、円筒物の全長の２分の１を超えるなら反対側から挿入すべきだからである。
【００１３】
図１に示したように円筒物の内径が端部からある長さの区間において一定の場合には、円筒物の内径一定部分の長さ以下の金属棒を挿入すれば本発明の効果が得られる。またさらに本発明は円筒物の内径が円筒物の長さ位置によって異なる場合に、その内径が異なる部分の冷却を調節することもできる。図２は内径一定の部分とテーパ状に端部に向かって開いている部分とが連続している円筒物１１の場合の金属棒の形態の例を示す図である。図２（ａ）のように内径一定の部分とテーパ部分の両方に合わせた形状の金属棒２１を挿入すれば、両方の部分の内面焼入れの度合いを調節することができる。また必要に応じて図２（ｂ）のようにテーパ部分に接触する金属棒２２、また図２（ｃ）のように内径一定部分のみに接触する金属棒２３を挿入して、その部分だけ内面焼入れの度合いを調節することができる。
【００１４】
また図３は端部近傍において内径に段差がある円筒物１２の場合の金属棒の形態の例を示す図である。図２に示した場合と同様に、図３（ａ）のように内径が大きい部分と小さい部分の両方に合わせた形状の金属棒２４を挿入すれば両方の部分の内面焼入れの度合いを調節することができる。また図３（ｂ）のように内径が大きい部分のみに接触する金属棒２５、また図３（ｃ）のように内径が小さい部分のみに接触する金属棒２６を挿入して、その部分だけ内面焼入れの度合いを調節することができる。つまり図２や図３に示したように金属棒は円筒物に挿入した状態において、円筒物の少なくとも一部の長さ区間で円筒物の内面に接触していればよい。
【００１５】
また本発明においては焼入れ硬化層を外面からどれだけの深さにするかも制御可能である。すなわち誘導加熱コイルと水噴射装置との移動速度および加熱電力の一方または両方を円筒物の長さ位置によって変えれば良い。これら条件の変化はワークの単位長さ当たりの加熱熱量を変化させるので、加熱している外面と金属棒で冷却している内面との間の熱平衡が変化して円筒物の厚み内における温度分布が変わるためである。特に加熱コイルへの電力と誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度との両方の変化を組み合わせることにより、ワークの厚みが大きい場合でも焼入れ硬化層の外面からの深さを広範囲に制御することが可能である。
【００１６】
上記のように加熱コイルへの電力や誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度を移動位置に応じて変化させる場合、金属棒が内部に挿入されている部分と挿入されていない部分とで加熱電力等を異なる値に切り替える方法がある。すなわち焼入れ硬化層を外面側だけにする場合、仕様として硬化層の深さや内面の硬度が規定されることが多く、これに適合させるためには金属棒を内部に挿入したうえで加熱電力等を調節すると良い。この場合に金属棒が挿入されていない部分のワークの単位長さ当たりの加熱熱量は、金属棒が内部に挿入されている部分の条件に従属することなく独立に最適な条件に定めることが好ましい。その結果、金属棒が内部に挿入されている部分と挿入されていない部分とで加熱電力等が異なることになる。
【００１７】
またワークの単位長さ当たりの加熱熱量を変化させる様式の上記とは別のものとしては、金属棒を挿入した区間内で加熱電力等を変化させることもある。これは金属棒を挿入した区間内で焼入れ硬化層の厚さを変化させる目的ばかりではなく、硬化層の厚さを均等化する目的でも行なわれる。すなわち金属棒の挿入による冷却効果はワークである円筒物の端部近傍において大きく、特に先に述べたようなフランジの容積が大きい場合に著しい。このため金属棒を挿入した範囲内において円筒物の端部近傍とそれより距離がある部分との冷却条件の相違を補償するため、ワークの単位長さ当たりの加熱熱量を端部近傍では大きく、端部から離れるに従って小さくして焼入れ硬化層の厚みの均一化を図ることができる。
【実施例】
【００１８】
図１に示したような長さが５５０ｍｍの円筒物ワークの外面焼入れを行なった。円筒物は長さの中央部のＢの区間が両端部のＡおよびＣの区間より太くなっており、外径はＢの区間では最大３２ｍｍ、ＡおよびＣの区間では２２ｍｍである。また内径はＢの区間では最大２４ｍｍ、ＡおよびＣの区間は８ｍｍであって、外径が細い両端部の肉厚が厚くなっている。上記ワークを図１および図２（ａ）に示した装置により垂直に保持して下端から上方に向かって移動焼入れを行なった。
【００１９】
ここにおいて図１のＡとＣのの区間はそれぞれ端部から金属棒を挿入した状態で、またＢの区間は何も挿入しない状態で焼入れを行なった。なお金属棒は円筒物に挿入される部分の長さがＡおよびＣの区間に相当する１１０ｍｍで、円筒形のフランジ部を有しその外径は１４ｍｍ、長さは６ｍｍである。したがってフランジ部の体積は円筒物の端部からの距離が円筒物の端部内径と同じ８ｍｍまでの金属棒の体積の２．３倍となる。なお金属棒の材質はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）である。
【００２０】
また誘導加熱コイルの加熱電力はＡおよびＣの区間は４５ｋＷ、Ｂの区間３０ｋＷであって電源周波数は１０ｋＨｚである。また誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度はワーク全長に亘って１２ｍｍ／ｓである。このようにして焼入れが完了したワークについて軸に平行な断面を研磨し、硝酸アルコール溶液で腐蝕してマクロ組織を観察した。その結果、Ｂの区間では外面から内面まで焼入れされた組織になっていたが、ＡおよびＣの区間では円筒物端部近傍を除き外面から深さ４ｍｍまでが焼入れ組織で、内面から３ｍｍは焼入れ組織になっていなかった。なお円筒物の端部から２０ｍｍぐらいの区間は端部に近付くに従って内面の焼入れ組織になっていない部分の厚さが上記の数値より増大し、端部では約５ｍｍになった。
【００２１】
また上記焼入れにおいて、誘導加熱コイルの加熱電力を金属棒を挿入したＡおよびＣの区間について加熱電力を５０ｋＷに増加し、Ｂの区間については前と同じ３０ｋＷとした。さらに誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度をＡおよびＣの区間について８ｍｍ／ｓとし、Ｂの区間については前と同じ１２ｍｍ／ｓとした。その他の条件は前と同じである。このようにして焼入れを行なってワーク断面のマクロ組織を観察した結果、Ｂの区間では外面から内面まで焼入れされた組織になっていたが、ＡおよびＣの区間では円筒物端部近傍を除き外面から深さ５ｍｍまでが焼入れ組織で、内面から２ｍｍは焼入れ組織になっていなかった。円筒物の端部近傍において内面の焼入れ組織になっていない部分の厚さが増大することは先の場合と同様である。
【００２２】
また比較のため円筒物に金属棒を挿入しないで焼入れを行なった。加熱条件は先と同じであって、誘導加熱コイルの加熱電力はＡおよびＣの区間は４５ｋＷ、Ｂの区間３０ｋＷで、電源周波数は１０ｋＨｚ、誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度はワーク全長に亘って１２ｍｍ／ｓである。このようにして焼入れを行なってワーク断面のマクロ組織を観察した結果、すべての区間において内面まで焼入れ組織になっていた。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の円筒物の外面焼入れ方法を示す断面図
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ内径一定の部分とテーパ状の部分とが連続している円筒物の場合の金属棒の形態の例を示す図
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ端部近傍において内径に段差がある円筒物の場合の金属棒の形態の例を示す図
【符号の説明】
【００２４】
１    円筒物（ワーク）
２    誘導加熱コイル
３    水冷ジャケット
４    金属棒
５    フランジ部
１１、１２    円筒物（ワーク）
２１−２６    金属棒
【図１】
2006283087.tif 000003
【図２】
2006283087.tif 000004
【図３】
2006283087.tif 000005